计算机控制系统PPT_1

1、2022-6-26第一章 绪 论11 开课目的和任务开课目的和任务 (1/2) 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。技术。 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。制

2、系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。2022-6-26第一章 绪 论21 开课目的和任务开课目的和任务 (2/2) 本课程是计算机科学与技术专业选修课程之一。本课程是计算机科学与技术专业选修课程之一。 基础课程需要哪几门？基础课程需要哪几门？ 自动控制理论，现代控制理论，微机原理及接自动控制理论，现代控制理论，微机原理及接口技术，微机控制技术，信号处理，高等数学，口技术，微机控制技术，信号处理，高等数学，线性代数。线性代数。2022-6-26第一章 绪 论32 主要的参考文献主要的参考文献作者作者书名书名 出版社出版社年年张德江等张德江等计算机控制系统计算机控制系统 机械工业出版社机械工业

3、出版社2008刘士荣等刘士荣等计算机控制系统计算机控制系统机械工业出版社机械工业出版社2009王慧等王慧等计算机控制系统计算机控制系统化学工业出版社化学工业出版社2005于海生等于海生等微型计算机控制技术微型计算机控制技术机械工业出版社机械工业出版社2008孙增圻等孙增圻等计算机控制理论及应用计算机控制理论及应用清华大学出版社清华大学出版社20083 课程考核要求课程考核要求 平时成绩：签到，随堂作业 期末考试：试卷or论文？ 最终成绩：平时成绩*60%+期末考试*40%2022-6-26第一章 绪 论42022-6-2652022-6-26第一章 绪 论62022-6-2672022-6-2

4、6第一章 绪 论81 1、控制系统、控制系统 自动控制：应用某种装置（控制器）自动地自动控制：应用某种装置（控制器）自动地有目的地操纵被控对象，使之具有预定的工有目的地操纵被控对象，使之具有预定的工作状态。作状态。 自动控制技术：实现自动控制的相关技术方自动控制技术：实现自动控制的相关技术方法。法。 自动控制理论：研究有关自动控制一般规律自动控制理论：研究有关自动控制一般规律的科学。的科学。2022-6-26第一章 绪 论9 系统：由一些互相联系和相互制约的环节组系统：由一些互相联系和相互制约的环节组成，并具有特定功能的整体。成，并具有特定功能的整体。 控制系统：由控制器和被控对象所组成的系控

5、制系统：由控制器和被控对象所组成的系统。当被控对象能由控制器自动操纵时，就统。当被控对象能由控制器自动操纵时，就是自动控制系统。是自动控制系统。 计算机控制系统：由计算机作为核心控制器计算机控制系统：由计算机作为核心控制器的控制系统。的控制系统。2022-6-26第一章 绪 论10 计算机控制系统就是利用计算机计算机控制系统就是利用计算机( (通常称通常称为工业控制计算机，简称工业控制机为工业控制计算机，简称工业控制机) )来来实现生产过程自动控制的系统。实现生产过程自动控制的系统。 2022-6-26第一章 绪 论11典型结构图与自动控制系统的区别：与自动控制系统的区别： 所谓自动控制，就是

6、在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。 特点：处理信号类型不一致特点：处理信号类型不一致 2022-6-2613“一些计算机控制系统一些计算机控制系统图片图片”2022-6-26第一章 绪 论14实例实例车联网车联网（东郊煤气厂仪表集中控制室）（东郊煤气厂仪表集中控制室） 实例图图1-2 某热电厂锅炉计算机控制室某热电厂锅炉计算机控制室 2. 2. 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统 开环控制系统：控制器与被控对象间只有顺开环控制系统：控制器与被控对象间只有顺向控制作用，没有反向联系，控制是单向的，向控制作用，没有反向联系，控制是单向的，系统

7、输出量不影响控制作用，控制作用只由系统输出量不影响控制作用，控制作用只由输入量产生。输入量产生。 特点：简单、控制精度差、受干扰影响大、特点：简单、控制精度差、受干扰影响大、稳定度低、不具备调节偏差的能力、动态响稳定度低、不具备调节偏差的能力、动态响应不好。应不好。 2022-6-26第一章 绪 论191.1 自动控制技术中的一些概念 闭环控制系统：系统输出量反馈到输入端，闭环控制系统：系统输出量反馈到输入端，与输入量共同影响控制作用（一般由输出量与输入量共同影响控制作用（一般由输出量与输入量之差产生控制作用）。与输入量之差产生控制作用）。 特点：较复杂、自动抑制干扰对输出的影响、特点：较复杂

8、、自动抑制干扰对输出的影响、稳定度较高、动态相应好、可能出现振荡。稳定度较高、动态相应好、可能出现振荡。 稳态、过渡过程稳态、过渡过程2022-6-26第一章 绪 论202022-6-26第一章 绪 论21控制器执行机构被控对象测量元件变换发送单元给定信号被控参数闭环控制系统框图闭环控制系统框图给定信号控制器执行机构被控对象被控参数开环控制系统框图开环控制系统框图3 3、调节系统与随动系统、调节系统与随动系统 调节系统：控制系统的任务是在输入量一定调节系统：控制系统的任务是在输入量一定时，能克服扰动对系统的影响，维持输出量时，能克服扰动对系统的影响，维持输出量相应于输入的恒定关系。相应于输入的

9、恒定关系。 随动系统：控制器产生控制作用，使输入量随动系统：控制器产生控制作用，使输入量变化时，输出量随之相应变化，输出跟随输变化时，输出量随之相应变化，输出跟随输入。入。4 4、连续系统与离散系统、连续系统与离散系统 计算机控制系统中的信号形式：计算机控制系统中的信号形式： 连续信号连续信号 采样信号采样信号 数字信号数字信号 阶梯模拟信号阶梯模拟信号 连续系统：系统中的各个环节输入输出信号连续系统：系统中的各个环节输入输出信号都是时间连续信号。一般用微分方程、连续都是时间连续信号。一般用微分方程、连续状态方程建模。状态方程建模。 离散系统：控制系统中的信号为离散信号；离散系统：控制系统中的

10、信号为离散信号；一般使用差分方程、离散状态方程建模。一般使用差分方程、离散状态方程建模。 采样离散系统：控制系统中有连续的信号也采样离散系统：控制系统中有连续的信号也有采样信号。有采样信号。 数字控制系统：只有数字信号，如计算机控数字控制系统：只有数字信号，如计算机控制系统。制系统。5 5、线性系统与非线性系统、线性系统与非线性系统 线性系统：各个环节的输入输出特性都是线线性系统：各个环节的输入输出特性都是线性的。性的。 线性定常系统线性定常系统/ /时变系统时变系统 叠加原理叠加原理 非线性系统：其他系统非线性系统：其他系统2n2xy(n)=nx(n)?y(n)=x( )? y(n)= (n

11、)?6 6、确定性系统与不确定系统、确定性系统与不确定系统 确定性系统：系统数学模型的结构和参数都确定性系统：系统数学模型的结构和参数都是确定的，输入也是确定的，系统的输出也是确定的，输入也是确定的，系统的输出也是确定的。是确定的。 不确定系统：由于系统本身或输入信号不确不确定系统：由于系统本身或输入信号不确定使输出为不确定量的系统。定使输出为不确定量的系统。7 7、智能系统、智能系统/ /智能控制系统智能控制系统 传统控制系统：基于被控系统解析数学模型传统控制系统：基于被控系统解析数学模型的控制系统。的控制系统。 智能控制系统：基于智能方法设计的控制系智能控制系统：基于智能方法设计的控制系统

12、。统。 模糊控制、神经网络控制、基于专家系统的控制、模糊控制、神经网络控制、基于专家系统的控制、学习控制，等等。学习控制，等等。 数据驱动数据驱动2022-6-26第一章 绪 论308. 8. 在线方式和离线方式：在线方式和离线方式：on-line/off-lineon-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；的方式称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离而是靠人进行联系并做相应操作的方式

13、称为离线方式或脱机方式。线方式或脱机方式。 和网络技术定义不同和网络技术定义不同9.9.实时与非实时实时与非实时实时：指信号的输入、计算和输出都要在实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定一定的时间范围内的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。去了控制的时机，控制也就失去了意义。 硬实时与软实时硬实时与软实时2022-6-26第一章 绪 论312022-6-26第一章 绪 论32思考题一.在线系统是否一定是实时系统？二.实时系统是否一定是在线系

14、统？三.非实时系统是否一定是离线系统？四.离线系统是否一定为非实时性系统？说明原因，举出例子2022-6-26第一章 绪 论33模拟调节器模拟调节器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变送器测量变送器设定值设定值reu被调参数被调参数 y图图a 单回路常规控制系统示意图单回路常规控制系统示意图ym2022-6-26第一章 绪 论34u计算机计算机保持器保持器广义对象广义对象测量变送器测量变送器e(kT)u(kT)被调参数被调参数 y图图b 单回路计算机控制系统示意图单回路计算机控制系统示意图ym采样器采样器A/DD/A计算机系统计算机系统设定值设定值r2022-6-26第一章 绪 论35计算机

15、控制系统的组成框图计算机控制系统的组成框图2022-6-26第一章 绪 论36从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面：实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 分类一（工艺流程）：计算机计算机( (工业控制机工业控制机)+)+生产过程生产过程硬件硬件+ +软件软件 分类二（计算机）：硬件：计算机控制系统的物质基础。软件：计算机系统的灵魂。计算机控制系统的硬件组成 计计算机系统算机系统硬件硬件+ +生生产过

16、程各部分的产过程各部分的装置装置（1 1）计算机系统硬件：）计算机系统硬件： 输入输出通道：输入输出通道：是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。 过过程输入程输入通道：通道：把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字信号； 过过程输出程输出通道：通道：把计算机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。注意：注意：过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 主机：主机：是计算机控制系统的核心。主机通过接口向系统的各个部分发出各种命令，对被控对象进行检测和控制。 外部设备：外部设备：是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设， 包括：包括：人机联

17、系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器等。 （2 2）生产过程装）生产过程装置。置。测量变送单元：为了测量各种参数而采用的相应的检测元件及变送器。执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是计算机控制系统中的重要部件，其功能是根据计算机输出的控制信号，产生相应的控制动作，使被控对象按要求运行。（1）系统软件 是由计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。系统软件包括： 操作系统：包括管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； 诊断系统：指的是调试程序及故障诊断程序； 开发系统：包括各种语言处理程序（编译程序）、服务程序（装配程序和编辑程序）、

18、模拟程序（系统模拟、仿真、移植软件）、数据管理程序等。计算机控制系统的软件组成系统软件系统软件+ +应用软件应用软件+ +数据库数据库（2）应用软件 是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。 计算机控制系统的应用软件有： 过程监视程序 过程控制计算程序 公共服务程序（3）数据库。数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应的软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。 计算机控制系统软件特点 可靠性要求高、 环境适应性强、*环境因素* 实时性要求高、 输入/输出通道完善、 软件专用。2022-6-26第一章 绪 论45 软件部分软件部

19、分计算机控制系统计算机控制系统 硬件部分硬件部分控制计算机控制计算机主机、外设、系统总线主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道生产过程输入输出通道人人机联系设备、通信设备机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等）现场仪表（测量传感器、执行机构等） 操作系统操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等通信网络软件、诊断程序等 系统软件系统软件 应用软件应用软件 过程输入过程输入/输出程序、过程控制程序输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序各种公共子程序 历史数据库、实时数据库历史

20、数据库、实时数据库计计算机控制系统与连续控制系统相比，具有如下特点：算机控制系统与连续控制系统相比，具有如下特点： （1 1）控制规律的实现灵活、方便。）控制规律的实现灵活、方便。 （2 2）控制精度高。）控制精度高。 （3 3）控制效率高。）控制效率高。 （4 4）可集中操作显示。）可集中操作显示。 （5 5）可实现分级控制与整体优化，可通过计算机）可实现分级控制与整体优化，可通过计算机网络系统与上下位计算机相通信，进行分级控制，实网络系统与上下位计算机相通信，进行分级控制，实现生产过程控制与生产管理的一体化与整体优化，提现生产过程控制与生产管理的一体化与整体优化，提高企业的自动化水平。高企

21、业的自动化水平。 （6 6）存在着采样延迟。）存在着采样延迟。计算机控制系统中信号的具体变换与传输计算机控制系统中信号的具体变换与传输2022-6-26第一章 绪 论48采样器采样器 A/D计算机计算机D/A保持器保持器y(t)y*(t) y(kT) u(kT) u*(kT) u(t)2022-6-26第一章 绪 论492022-6-26第一章 绪 论50y(t)t采样器采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Tt原始过程信号原始过程信号信号通过采样器信号通过采样器采样后的信号采样后的信号过程信号采样过程示意图过程信号采样过程示意图2022-6-26第一章 绪 论512022-6-26第一章

22、绪 论520*)()()(kkTtkTyty 设设(t-kT) 是是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则时刻的理想采样脉冲，则0*)()()(kkTttyty采样周期采样周期T的选择相当重要。的选择相当重要。因为因为y*(t)只与只与y(t)在脉冲出现瞬间的值在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关，有关，故采样信号可用下式表示：故采样信号可用下式表示：2022-6-26第一章 绪 论53 2022-6-26第一章 绪 论54 6T 4T 2Tt y采样信号采样信号y(kT)原信号原信号y(t)恢复信号恢复信号yh(t)零阶保持器算式零阶保持器算式yh(kT+t)=y(kT) 0tT, k=0, 1, 2

23、,由于它只是简单地由于它只是简单地外推，故只有当外推，故只有当T T足够小时，零阶保足够小时，零阶保持器才能较好地恢持器才能较好地恢复原信号。复原信号。2022-6-26552022-6-26第一章 绪 论56 在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式 按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统； 按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。 计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的，而是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态

24、进行分类的。 一般分为六大类：数据采集系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。2022-6-26第一章 绪 论59w计算机巡回检测和操作指导系统计算机巡回检测和操作指导系统 数数 字字 计计 算算 机机CRT打印机打印机报报 警警过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量变送被被 控控 生生 产产 过过 程程执行机构执行机构 人人 优点：结构简单，控制灵活和安全。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。2022-6-26第一章 绪 论

25、60w计算机直接数字控制（计算机直接数字控制（DDC）系统）系统直接数字控制直接数字控制(DDC)计算机计算机CRT打印机打印机报报 警警操作台操作台过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量变送被被 控控 生生 产产 过过 程程过程输出通道过程输出通道 执行机构执行机构 执行机构执行机构 计算机闭环控制系统。计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节可完全取代模拟调节器，实现多回路的器，实现多回路的PIDPID控制，而且只要控制，而且只要改变程序就可以实现改变程序就可以实现复杂的控制规律。复杂的控制规律。 （1）计算机通过过程控制通道对工业生产过程进行在线实时控制；（2）计算机参与

26、闭环控制，可完全替代模拟调节器，可实现对多回路多参数的控制；（3）系统是灵活性大、可靠性高，能实现各种从常规到先进的控制方式。 直接数字控制系统特点2022-6-26第一章 绪 论62w计算机监督控制（计算机监督控制（SCC）系统）系统监督控制计算机监督控制计算机(SCC)CRT打印机打印机报警报警DDC计算机或调节器计算机或调节器输入通道输入通道 输出通道输出通道被被 控控 生生 产产 过过 程程操作台操作台输入通道输入通道 其作用是改变给其作用是改变给定值，又称设定值控定值，又称设定值控制制 。它的任务着重在。它的任务着重在控制规律的修正与实控制规律的修正与实现，如最优控制、自现，如最优控

27、制、自适应控制等。适应控制等。 (1)SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。该系统类似计算机操作指导控制系统。 (2)SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制。 (3)监督计算机控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，是计算机集散系统的最初、最基本的模式。监督计算机控制系统特点2022-6-26第一章 绪 论64w计算机集散控制系统（计算机集散控制系统（DCS） 采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原

28、则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。 2022-6-26第一章 绪 论65w现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)工作站工作站 现场智能仪表现场智能仪表-变送器智能部件变送器智能部件FCS的核心是现场总线，是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的通信网络，是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者结合。2022-6-26第一章 绪 论66w现场总线控制系统现场总线控制系统工作站工作站 现场智能仪表现场智能仪表-智能电磁流量计智能电磁流量计结构模式为：结构模式为：“工作站工作站一现场总线智能仪表一现场总线智能仪表”二层结构，降低了

29、成本，二层结构，降低了成本，提高了可靠性，并且在提高了可靠性，并且在统一国际标准下可实现统一国际标准下可实现真正的开放式互连系统真正的开放式互连系统结构。结构。 2022-6-26第一章 绪 论672022-6-26第一章 绪 论68w计算机集成控制系统（计算机集成控制系统（CIMS/CIPS） 经营决策经营决策企业管理企业管理生产调度生产调度过程优化过程优化过程控制过程控制第五层：企业决策，生产规划第五层：企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销,财务财务,计划计划,管理等管理等第三层：生产调度，系统优化第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第二层：先进控制，过程优化第一层：

30、单元自动化第一层：单元自动化,简单控制简单控制生生 产产 过过 程程 流程流程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图计算机集成制造系统计算机集成制造系统：将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式发展发展：随着现代市场需求和企业模式现代化，计算机集成制造已将制造集成转换为信息集成，并融企业全面管理和市场营销前景前景：尽管目前CIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实是企业真正走向现代化的方向规模规模：CIMS是一项庞大的系统工程，需要有许多基础的应用平台支持，实现的是企业物流、资金流和信息流统一。由于涉及面广，应用存在

31、困难较多，许多CIMS工程在规划实施中都提出了整体规划分步实施策略。计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS） 1、计算机集成制造系统概述2、计算机集成制造系统结构图CIMS组成框图计算机通信网络和数据库分系统管理信息分系统制造自动化分系统质量保证分系统工程设计自动化分系统市场信息技术信息原材料销售服务信息产品一个CIMS的例子 精密排种器的仿真与设计 从AutoCAD图纸到模型数据库 建立模型 仿真、改进 开模具，中试，量产2022-6-26第一章 绪 论722022-6-26第一章 绪 论73（1）程序和顺序控制（2）比例积分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）复杂

32、规律的控制（5）智能控制2022-6-26第一章 绪 论74（1 1）程序和顺序控制）程序和顺序控制定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。 顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。2022-6-26第一章 绪 论75（2 2）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制）定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。 PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模

33、拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。这同样是我们学习的一个重点内容。2022-6-26第一章 绪 论76（3）最小拍控制 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中，是我们本书内容的重点和难点。2022-6-26第一章 绪 论77（4 4）复杂规律的控制）复杂规律的控制 在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。 目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。2022-6-26第一章 绪 论78（5 5）智能控

34、制）智能控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制理论2022-6-26792022-6-26第一章 绪 论802022-6-26第一章 绪 论812022-6-26第一章 绪 论822022-6-26第一章 绪 论832022-6-26第一章 绪 论842022-6-26852022-6-26第一章 绪 论86 19541954年，开始用计算机构成开环控制系统年，开始用计算机构成开环控制系统 19571957年，石油蒸馏过程控制采用了计算机构年，石油蒸馏过程控制采用了计算机构成闭环系统；成闭环

35、系统； PLCPLC的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程序控制；量的联锁控制、程序控制； 出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统间的控制系统, ,简称集中控制系统。简称集中控制系统。 1965-19691965-1969，计算机控制进入使用普及的阶段，出，计算机控制进入使用普及的阶段，出现小型机，可靠性提高，成本降低，但仍属于集现小型机，可靠性提高，成本降低，但仍属于集中性控制；中性控制；2022-6-26第一章 绪 论87 DCSDCS的问世取代了显示仪、调节器之类的仪的问世

36、取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和表，实现了模拟量的指示、记录和PIDPID回路回路调节等功能。调节等功能。2022-6-26第一章 绪 论882022-6-26第一章 绪 论89 19901990年以后，由于网络技术的迅速发展，生年以后，由于网络技术的迅速发展，生产过程和控制系统的进一步复杂化，人们将产过程和控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网络技术应用到了控制系统的前置机计算机网络技术应用到了控制系统的前置机以及前置和上位机之间的数据传输中。前置以及前置和上位机之间的数据传输中。前置机完成自己的控制功能，但它与上位机之间机完成自己的控制功能，但它与上位机之间的数据

37、传输采用计算机网络实现。的数据传输采用计算机网络实现。2022-6-26第一章 绪 论90新型控制策略与计算机控制系统发展趋势(1) 从模拟控制系统到计算机控制系统的长期发展中，形成了诸如PID控制、Smith控制和解耦控制等许多行之有效的传统控制策略，并得到了广泛的应用。但这些控制策略要求：* 被控对象是精确的、时不变的，线性的；* 操作条件和运行环境是确定的，不变的。新型控制策略与计算机控制系统发展趋势（2） 2020世纪世纪8080年代以来，世界各国工业向着大型、年代以来，世界各国工业向着大型、连续、综合化发展，所构成的控制系统也变得越来连续、综合化发展，所构成的控制系统也变得越来越复杂

38、：越复杂：* * 对象结构参数是对象结构参数是时变时变的，有许多不确定因素，且的，有许多不确定因素，且是是非线性、多变量、强耦合和高维数非线性、多变量、强耦合和高维数的，既有数字的，既有数字信息，又有多媒体信息，难以建立常规的数学模型信息，又有多媒体信息，难以建立常规的数学模型并加以研究；并加以研究；* * 运行的环境改变和运行的环境改变和环境干扰的时变环境干扰的时变，再加上，再加上信息信息的模糊性的模糊性、不完全性、偶然性和未知性等，使系统、不完全性、偶然性和未知性等，使系统的环境复杂化；的环境复杂化；* * 控制任务不再限于系统的调节或伺服问题，还包控制任务不再限于系统的调节或伺服问题，还

39、包括了括了优化、监控、诊断、调度、规划、决策优化、监控、诊断、调度、规划、决策等复杂等复杂任务。任务。新型控制策略与计算机控制系统(3)计算机控制系统中，主要应用采样系统理论：计算机控制系统中，主要应用采样系统理论：* *采样定理采样定理 因为所有的计算机控制系统都是根据因为所有的计算机控制系统都是根据过程变量在离散时刻的值来工作的，对于一个连续信过程变量在离散时刻的值来工作的，对于一个连续信号，以多大的速率对其采样，所得到的离散值能够反号，以多大的速率对其采样，所得到的离散值能够反映出被采样的连续信号的特性？映出被采样的连续信号的特性？* *奈奎斯特奈奎斯特( (NyquistNyquist

40、) )最早探讨了其关键问题，证明了最早探讨了其关键问题，证明了要想把正弦信号从它的采样值复现出来，就必须对正要想把正弦信号从它的采样值复现出来，就必须对正弦信号每周期内至少采样两次。弦信号每周期内至少采样两次。* *19491949年香农年香农(Shannon)(Shannon)在香农采样定理中完全解决了在香农采样定理中完全解决了这个问题，为理解离散时间系统所产生的某些现象提这个问题，为理解离散时间系统所产生的某些现象提供了基础。供了基础。新型控制策略与计算机控制系统(4) * *差分方程差分方程 采样系统理论的最初起源与某些采样系统理论的最初起源与某些特殊控制系统的分析有关。奥尔登伯格及萨托

41、里厄特殊控制系统的分析有关。奥尔登伯格及萨托里厄斯于斯于19481948年对落弓式检流计的特性所作的研究，就年对落弓式检流计的特性所作的研究，就是对采样系统理论的最早贡献之一。是对采样系统理论的最早贡献之一。 已经被证明，用差分方程代替连续系统理论中已经被证明，用差分方程代替连续系统理论中的微分方程，通过分析一个线性时不变的差分方程的微分方程，通过分析一个线性时不变的差分方程可以理解系统的许多特性。可以理解系统的许多特性。 采样数据分析理论与数值分析密切相关。积分采样数据分析理论与数值分析密切相关。积分可用数值求和来近似计算。许多优化问题都能够用可用数值求和来近似计算。许多优化问题都能够用差分

42、方程来描述。普通微分方程就是通过差分方程差分方程来描述。普通微分方程就是通过差分方程来近似积分的。如，数值积分算法中的步长调整算来近似积分的。如，数值积分算法中的步长调整算法就可以视为一个采样数据控制问题。法就可以视为一个采样数据控制问题。新型控制策略与计算机控制系统(5)现代控制策略：现代控制策略：（1 1）自适应控制自适应控制 针对对象特性的变化、漂移针对对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的，其基本思想和环境干扰对系统的影响而提出来的，其基本思想是通过在线辨识使这种影响逐渐降低乃至消除。是通过在线辨识使这种影响逐渐降低乃至消除。 自适应控制自适应控制是一种逐渐修正、渐进趋向

43、期望性能是一种逐渐修正、渐进趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况，而不的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况，而不适用于环境干扰强的工业场合和比较复杂的生产过适用于环境干扰强的工业场合和比较复杂的生产过程。程。新型控制策略与计算机控制系统(6)（2 2）变结构控制变结构控制 是一类特殊的非线性控制，是一类特殊的非线性控制，其其“结构结构”不是指系统本身的物理结构，而是系统不是指系统本身的物理结构，而是系统在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质，与其他在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质，与其他控制策略的区别在于系统的控制策略的区别在于系统的“结构结构”并不固定，而并不固定，而是可以

44、在动态过程中根据系统当时的状态，以跃变是可以在动态过程中根据系统当时的状态，以跃变的方式有目的地不断变化，迫使系统按预定的的方式有目的地不断变化，迫使系统按预定的“滑滑动模态动模态”的状态轨迹运动。的状态轨迹运动。优点：优点：在于它具有快速响应、对参数及外扰变化不在于它具有快速响应、对参数及外扰变化不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单。灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单。缺点：缺点：但设计比较复杂，且在状态轨迹到达滑模平但设计比较复杂，且在状态轨迹到达滑模平面后，难以严格沿着滑模面向平衡点滑动，而且在面后，难以严格沿着滑模面向平衡点滑动，而且在滑模面两侧来回穿越，产生颤动，这些限制了它的滑

45、模面两侧来回穿越，产生颤动，这些限制了它的应用。应用。新型控制策略与计算机控制系统(7)（3 3）鲁棒控制鲁棒控制 指系统的某个性能或某个指标指系统的某个性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感的在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度）。其基本思想在设计中设法使系统对模型的程度）。其基本思想在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也能在工程所能接受的范围内。持稳定，品质也能在工程所能接受的范围内。 鲁棒控制主要有代数方法和频域方法，前者的研鲁棒控制主要有代数方法和频域方法，前者的研究

46、对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制；后者是从系统的传递函式族或矩阵族的鲁棒控制；后者是从系统的传递函数矩阵出发，通过使系统由扰动至偏差的传递函数数矩阵出发，通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵矩阵H H的范数取极小，来设计出相应的控制规律的范数取极小，来设计出相应的控制规律应用：应用：主要集中在飞行器、柔性结构、机器人，较主要集中在飞行器、柔性结构、机器人，较少应用在工业控制领域中，主要原因在于确乏良好少应用在工业控制领域中，主要原因在于确乏良好的设计方法。的设计方法。新型控制策略与计算机控制系统(8)（4 4）预测控制

47、预测控制 一种基于模型又不过分依赖模型的控制策一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略。其基本思想类似于人的思维和决策，即根据头脑中对外部世略。其基本思想类似于人的思维和决策，即根据头脑中对外部世界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。中择优予以实施。预测控制的各种算法是建立在模型预测预测控制的各种算法是建立在模型预测滚动优化滚动优化反馈校反馈校正等三条基本原理上的，其核心是在线滚动优化。这种正等三条基本原理上的，其核心是在线滚动优化。这种“边走边边走边看看”的滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配、时变、非线

48、性的滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配、时变、非线性或其他干扰因素等不确定性，及时进行弥补，减少偏差，以获得或其他干扰因素等不确定性，及时进行弥补，减少偏差，以获得较高的综合控制策略。较高的综合控制策略。预测控制集建模、优化和反馈于一体，三者滚动进行，其深刻的预测控制集建模、优化和反馈于一体，三者滚动进行，其深刻的控制思想和优良的控制效果，一直为学术界和工业界所瞩目，国控制思想和优良的控制效果，一直为学术界和工业界所瞩目，国外已有商品化的预测控制软件包。外已有商品化的预测控制软件包。缺点缺点是在建模中未充分利用过程的知识，且计算耗时、工作量大是在建模中未充分利用过程的知识，且计算耗时、工作量

49、大。新型控制策略与计算机控制系统(9)智能控制策略：智能控制策略：（1 1）模糊控制模糊控制 用语言归纳操作人员控制策略，用语言归纳操作人员控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制不需要建立控制对象精确的模型，只要求将现模糊控制不需要建立控制对象精确的模型，只要求将现场操作人员的经验和非数据总结成较完善的语言控制规场操作人员的经验和非数据总结成较完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪音以则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪音以及非线性、时变性、时滞等影响。及非线性、时变性、时滞等影响。模糊

50、控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、模糊控制系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。滞后系统的控制。新型控制策略与计算机控制系统(10)（2 2）专家控制专家控制 可以看成是对一个可以看成是对一个“控制专家控制专家”在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法、经验、策略的模拟。、经验、策略的模拟。 专家控制器有三个基本模块：专家控制器有三个基本模块： * *用于观察、检测系统中的有关变量和状态的信息用于观察、检测系统中的有关变量和状态的信息处理特征提取模块；处理特征提取模块； * *运用专家知识和经验判断当前系统运行情况并分运用

51、专家知识和经验判断当前系统运行情况并分析比较各种可以采用的控制策略模块；析比较各种可以采用的控制策略模块； * *存放专家控制经验和知识的控制规则集模块。存放专家控制经验和知识的控制规则集模块。 专家控制对许多工业过程的应用颇为有效，但理论专家控制对许多工业过程的应用颇为有效，但理论相对并不完善，没有形成有普遍意义的理论体系和相对并不完善，没有形成有普遍意义的理论体系和设计方法。设计方法。新型控制策略与计算机控制系统(11)（3 3）神经控制神经控制 是一种模拟脑神经的结构和思是一种模拟脑神经的结构和思维、判断等脑功能的信息处理系统。目前在实际应维、判断等脑功能的信息处理系统。目前在实际应用上还有困难，但它是一种很有前途的方法。用上还有困难，但它是一种很有前途的方法。（4 4）遗传算法遗传算法 模拟生物的进化机制，基本思模拟生物的进化机制，基本思想就是达尔文的进化论，将待求解的问题转换成由想就是达尔文的进化论，将待求解的问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子，整个系统按照传算子，整个系统按照“物竞天择，适者生存物竞天择，适者生存”的的原则，经历生成原则，经历生成评价评价选择选择操作的演化过程反操作的演化过程反复进行直至搜索到最优解。由于实时性较差，实际复进行直至